JP2014225978A - 回転電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクの低下を抑制しつつ重量を軽減した回転電動機を提供する。【解決手段】電動機１において、第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０の外周面に切欠部９ｃ，１０ｃを形成して、重量を軽減する。また、この切欠部９ｃ，１０ｃは、永久磁石１２が発生する磁束の流れを妨げず、かつ、第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０の外周面の漏れ磁束を低減するので、トルクの低下を抑制できる。【選択図】図１

Description

この発明は、固定子に配置した永久磁石により界磁起磁力を発生する磁気誘導子型の回転電動機に関するものである。

従来の磁気誘導子型モータ構造（例えば、特許文献１参照）は、機械的な耐久性に富み高効率が期待できることから、特に高速回転用電動機として有利であることはよく知られている。この特許文献１の回転電動機は、２個の積層された磁性体それぞれが所定の間隔を有してＮ極とＳ極に分離され、かつ、Ｎ極とＳ極となる突極がそれぞれ半ピッチ捻られて回転軸に装着された回転子と、前記回転子のＮ極とＳ極を囲むように磁性体（固定子鉄心）を軸方向に２分割し、当該磁性体の間に軸方向に着磁された界磁起磁力発生用の永久磁石を配置した固定子と、固定子鉄心のティースに巻回したコイルとを備える構造であった。この回転電動機は、永久磁石の磁束を有効活用するために、永久磁石の磁路として磁気抵抗の小さな固定子鉄心を利用し、永久磁石と固定子鉄心の形状を同一にしていた。

他方、電動コンプレッサおよび電動アシストターボなどのタービンを高速回転させる回転電動機は、車両に搭載されるため、重量の軽減が要求される。そこで従来は、固定子鉄心の一部に穴をあけて重量を軽減していた（例えば、特許文献２参照）。

特開８−２１４５１９号公報 特開２０１０−２５９２８９号公報

従来の回転電動機は以上のように構成されているので、固定子鉄心が永久磁石の磁路の一部となっているため、固定子鉄心の一部に穴をあけるとトルクが低下するという課題があった。電動コンプレッサおよび電動アシストターボなどでは瞬間的な加速が要求されるが、回転電動機のトルクの低下は顕著な性能低下に繋がることから、トルクの低下をできるだけ小さくすることが望まれる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、トルクの低下を抑制しつつ重量を軽減した回転電動機を提供することを目的とする。

この発明に係る回転電動機は、フレームと、回転軸に固着され、フレーム内に回転自在に配設された回転子と、フレームに保持され、回転子を囲むように同軸心に配設された２つの固定子鉄心、当該２つの固定子鉄心間に挟持され回転子を励磁する界磁起磁力発生用の永久磁石、および、当該２つの固定子鉄心に巻装され回転子に回転トルクを発生させるコイルを有する固定子とを備え、固定子鉄心それぞれは、円盤状のコアバック、当該コアバック内周面から径方向内方に突設されたティース、および、当該コアバックに形成された穴または切欠を有するようにしたものである。

この発明によれば、コアバックに穴または切欠を形成して永久磁石の磁束の流れを妨げないようにしたので、トルクの低下を抑制しつつ重量を軽減した回転電動機を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る電動機の構成を示す一部破断斜視図である。 実施の形態１に係る電動機の固定子の一例を示す一部破断斜視図である。 図２の固定子をＡＡ線に沿って切断した断面図である。 実施の形態１に係る電動機の固定子の一例を示す平面図である。 実施の形態１の固定子の変形例を示す平面図である。 実施の形態１の固定子の変形例を示す平面図である。 実施の形態１の固定子の変形例を示す平面図である。 実施の形態１の固定子を用いてトルク／固定子鉄心重量比を測定した結果を示すグラフである。 切欠部の無い固定子と実施の形態１の固定子とを比較したときのトルク比率を示すグラフである。 実施の形態１の固定子とフレームを組み付けた状態の断面図を示す。 実施の形態１の固定子の変形例を示す断面図である。

実施の形態１．
図１に示すように、磁気誘導子型の回転電動機（以下、電動機）１は、回転軸２に固着された回転子３と、回転子３を囲むように配設された固定子７と、これら回転軸２、回転子３および固定子７を収容する非磁性のフレーム１３とを備えている。

回転子３は、例えば所定形状に成形された多数枚の磁性鋼板を積層一体化して作製された第１磁性体４および第２磁性体５と、多数枚の磁性鋼板を積層一体化して作製され、軸心位置に回転軸２を挿入する挿入孔が穿設された円盤状の隔壁６とを備える。第１磁性体４および第２磁性体５は、概略同一形状に作製され、軸心位置に回転軸２を挿入する挿入孔が穿設された円筒状の基部４ａ，５ａと、基部４ａ，５ａの外周面から径方向外方に突設されて周方向に等角ピッチで２つ設けられた突極４ｂ，５ｂとから構成されている。第１磁性体４および第２磁性体５は、周方向に半突極ピッチずらして、隔壁６を介して相対して互いに密接して配置され、それらの挿入孔に挿通された回転軸２に固着されるよう構成されている。
なお、第１磁性体４および第２磁性体５は、多数枚の磁性鋼板を積層一体化したものに限定されるものではなく、圧粉鉄心のような鉄粉を樹脂にて固めたものでもよく、その場合にも磁性鋼板を積層一体化したものと同様な効果を得ることが可能である。

固定子７は、軸方向に着磁された界磁起磁力発生用の永久磁石１２と、永久磁石１２を間に挟みこんだ固定子鉄心８と、この固定子鉄心８に対して巻装したトルク発生用のコイル１１とを備える。固定子鉄心８は、所定形状に成形された複数の磁性鋼板を積層一体化して作製された第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０を備える。

図２に、固定子７の一部破断斜視図を示し、ＡＡ線に沿って切断した断面図を図３に、平面図を図４に示す。第１固定子鉄心９は円盤状のコアバック９ａと、コアバック９ａの内周面から径方向内方に突設されて周方向に等角ピッチで６つ設けられたティース９ｂと、コアバック９ａの外周面に等角ピッチで６つ形成された切欠部９ｃとを備える。第２固定子鉄心１０も、第１固定子鉄心９と概略同一形状に作製され、円盤状のコアバック１０ａと、コアバック１０ａの内周面から径方向内方に突設されて周方向に等角ピッチで６つ設けられたティース１０ｂと、コアバック１０ａの外周面に等角ピッチで６つ形成された切欠部１０ｃとを備える。
なお、固定子鉄心８および第１固定子鉄心９は、磁性鋼板を積層一体化したものに限定されるものではなく、圧粉鉄心のような鉄粉を樹脂にて固めたものでもよく、その場合にも磁性鋼板を積層一体化したものと同様な効果を得ることが可能である。

このように構成された第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０は、ティース９ｂ，１０ｂの周方向位置を一致させ、第１磁性体４および第２磁性体５を取り囲む位置に配置されている。また、一対のティース９ｂ，１０ｂに１つのコイル１１が巻回され、これらコイル１１の端部が不図示の配電板（所謂バスバー）に接続される。さらに、コアバック９ａ，１０ａの間には円盤状の永久磁石１２が介装され、この永久磁石１２と隔壁６とが対向するように、固定子７と回転子３とが位置決めされている。

次に、電動機１の動作を説明する。
永久磁石１２の磁束は、図１に矢印で示すように、第２磁性体５の突極５ｂから第１固定子鉄心９に流れ、その後軸方向に流れ、第２固定子鉄心１０から第１磁性体４の突極４ｂに戻るので、突極４ｂ，５ｂが励磁される。このとき、突極４ｂ，５ｂが周方向に半突極ピッチずれているので、磁束は、軸方向から見るとＮ極とＳ極とが周方向に交互に配置されたように作用する。他方、コイル１１の通電を切り換えることにより、固定子鉄心８のティース９ｂ，１０ｂのＳ極とＮ極を切り換える。すると、永久磁石１２による界磁起磁力と、コイル１１に流れる電流の相互作用でトルクが発生し、回転子３が周方向に回転する。

このような構成の電動機１を、車載用の電動コンプレッサおよび電動アシストターボなどに適用する場合、重量の軽減と加速性能（トルク）とが要求される。そこで、本実施の形態１では、第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０の各外周面を軸方向に切り欠いて切欠部９ｃ，１０ｃを形成し、切り欠いた分だけ重量を軽減する。図４に示すように、コアバック９ａの外周面に切欠部９ｃを形成することで、ティース９ｂから入ってコアバック９ａで二手に分岐する磁束の流れを妨げないので、トルクの低下を抑制しつつ重量を軽減することができる。切欠部１０ｃを形成した第２固定子鉄心１０も同様に、磁束の流れを妨げずにトルクの低下を抑制しつつ、重量を軽減できる。

特に、コアバック９ａ，１０ａの内周面から切欠部９ｃ，１０ｃまでの最短距離（以下、分岐磁路幅）αと、ティース９ｂ，１０ｂの周方向の幅（以下、合流磁路幅）βとの関係を、α＞β〜β／２にすることが望ましい。この関係にすることで、分岐磁路幅αにおける磁路断面積を十分に確保でき、磁気飽和を緩和することが可能になるため、トルクの低下を抑制できる。

また、図２に示すように、永久磁石１２と同じ外径になるコアバック９ａ，１０ａの外周部においては、漏れ磁束が発生している。一方、図３に示すように、永久磁石１２の外径よりコアバック９ａ，１０ａの外径を小さくした切欠部９ｃ，１０ｃにおいては、この切欠部９ｃ，１０ｃが漏れ磁束に対して永久磁石１２の磁束が打ち消す方向で流れるため、漏れ磁束の量が減った状態と同じ状態となる。また、コアバック９ａ，１０ａの外周円弧の面積が少なくなっているため漏れ磁束の絶対量も少なくなる。従って、漏れ磁束を減少して有効磁束を増加でき、トルクの低下をさらに抑制できる。

さらに、図４に示すように、切欠部９ｃをティース９ｂの外周側領域Ｂに設けることにより、磁束の流れを阻害しないので、トルクの低下を抑制しつつ重量を軽減できる。この切欠部９ｃをティース９ｂ間の外周側領域Ｃまで広げた場合、広げた分だけ第１固定子鉄心９の重量を軽減できるが、それと同時に広げた分だけ外周側領域Ｃの断面積が狭まり磁路断面積を確保できなくなるためトルクが低下することになる。従って、切欠分９ｃは、外周側領域Ｃより外周側領域Ｂに形成することが望ましいが、著しいトルク低下を引き起こさない程度に外周側領域Ｃへ広げて形成することも可能である。

次に、切欠部９ｃ，１０ｃの変形例を、図５〜図７を参照しながら説明する。
図５の平面図では、第１固定子鉄心９のコアバック９ａの外周面全体を切り欠いた全周切欠部９ｃ−１を形成している。この全周切欠部９ｃ−１が、上述した切欠部９ｃに相当する。
また、図５では隠れて見えないが、第２固定子鉄心１０のコアバック１０ａにも、全周切欠部９ｃ−１と同一形状の全周切欠部が形成されている。

図６の平面図では、第１固定子鉄心９のコアバック９ａに、軸方向に貫通する穴９ｃ−２を形成している。この穴９ｃ−２が、上述した切欠部９ｃに相当する。
また、図６では隠れて見えないが、第２固定子鉄心１０のコアバック１０ａにも、穴９ｃ−２と同一形状の穴が形成されている。

図７の平面図では、第１固定子鉄心９のコアバック９ａに、軸方向に貫通する三角穴９ｃ−３を形成している。この三角穴９ｃ−３が、上述した切欠部９ｃに相当する。
また、図７では隠れて見えないが、第２固定子鉄心１０のコアバック１０ａにも、三角穴９ｃ−３と同一形状の穴が形成されている。

図８には、図４〜図７に示す固定子７を用いてトルク／固定子鉄心重量比を測定した結果を示す。グラフ縦軸のトルク／固定子鉄心重量比が大きいほど、第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０の重量に対するトルクを確保していることを表す。また、比較対照として「切欠部無し」、即ち、切欠部９ｃ，１０ｃが形成されていない固定子７を用い、「切欠部無し」のトルク／固定子鉄心重量比を１００％として、図４の切欠部９ｃ、図５の全周切欠部９ｃ−１、図６の穴９ｃ−２、図７の三角穴９ｃ−３の相対値を示す。

切欠部９ｃ、全周切欠部９ｃ−１、穴９ｃ−２および三角穴９ｃ−３のいずれを形成しても重量が軽減できるので、「切欠部無し」に比べてトルク／固定子鉄心重量比が大きくなる。特に図５の全周切欠部９ｃ−１を形成した場合、第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０の外周面の漏れ磁束の低減効果が最も大きいため、トルク／固定子鉄心重量比が最大となっている。

図９には、図４〜図７に示す固定子７を用いて、「切欠部無し」と比較したときのそれぞれのトルク比率を示す。
図６の穴９ｃ−２および図７の三角穴９ｃ−３を形成した場合、漏れ磁束が低減されず、さらに第１固定子鉄心９と永久磁石１２の対向面積および第２固定子鉄心１０と永久磁石１２の対向面積が小さくなったことにより、「切欠部無し」に比べてトルクがわずかに低下している。一方、図４の切欠部９ｃおよび図５の全周切欠部９ｃ−１を形成した場合には、漏れ磁束を低減できるため、「切欠部無し」に比べてトルクを向上できる。

以上より、トルクの低下を抑制しつつ重量を軽減するという観点から評価すると、図５の全周切欠部９ｃ−１および図４の切欠部９ｃが好適である。

なお、先立って説明した特許文献２でも、固定子鉄心に切欠部（特許文献２の第１および第２通風路に相当する）を形成している。しかしながら、この特許文献２の電動機は界磁起磁力発生用に永久磁石ではなく界磁コイルを使用すると共に磁性体のフレームを使用し、磁束が固定子鉄心のコアバック外周面からフレームに流れるため、コアバック外周面に漏れ磁束は発生しない。従って、上述したような漏れ磁束とトルクの関係性を考慮して切欠部９ｃ，１０ｃの形状を検討する必要がない。

ここで、図１０に、固定子７とフレーム１３を組み付けた状態の断面図を示す。この図１０では、例として切欠部９ｃ，１０ｃを示したが、全周切欠部９ｃ−１であってもよい。
図１０に示すように、フレーム１３の内壁面を切欠部９ｃ，１０ｃまで延設して、フレーム１３と永久磁石１２を直接接触させる。そして、第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０に発生する鉄損の熱、コイル１１に発生する銅損の熱、および永久磁石１２に伝わる熱を、フレーム１３から放熱する。これにより、永久磁石１２の温度を低く保ち、高温時の減磁効果（可逆減磁）を低減できるので、高温環境下での電動機１の駆動および連続通電時間の延長が可能となる。

このとき、フレーム１３にはアルミニウム材などの非磁性かつ熱伝導性の高い材質を用いることで、永久磁石１２の冷却効果をより高めることができる。さらに、フレーム１３内に冷却水路１４を形成してもよい。

他方、トルクの低下を抑制しつつ重量を軽減するという観点から評価すると、図６の穴９ｃ−２および図７の三角穴９ｃ−３は、図５の全周切欠部９ｃ−１および図４の切欠部９ｃより劣るが、その一方で、組み付け性が良いという利点がある。これは、永久磁石１２と同一外径にコアバック９ａ，１０ａの外周面が存在していることにより、固定子鉄心８と永久磁石１２とを一体化した固定子７をフレーム１３に圧入したり焼き嵌めたりすることが可能となるためである。このとき、熱膨張率の大きいアルミニウム材などで構成されたフレーム１３が、固定子７の外周に挿入されても、温度の増加減による第１固定子鉄心９、第２固定子鉄心１０および永久磁石１２の抜け等を防止することが可能となる。

ちなみに、図４の切欠部９ｃおよび図５の全周切欠部９ｃ−１の場合、固定子７において永久磁石１２が最外径に存在しているため、固定子７をフレーム１３に圧入したり焼き嵌めたりすると永久磁石１２が割れたり欠けたりする可能性がある。従って、図４の切欠部９ｃおよび図５の全周切欠部９ｃ−１を形成した固定子７をフレーム１３に組み付ける際は、圧入および焼き嵌め以外の方法で行うことが望ましい。また、図４の切欠部９ｃの場合、コアバック９ａ，１０ａの外周と永久磁石１２の外周の外径を異なる外径（コアバック９ａ，１０ａの外周＞永久磁石１２の外周）とすることで、永久磁石１２の割れおよびカケを防ぐことが可能である。

なお、コアバック９ａ，１０ａに形成する切欠部９ｃ（および切欠部９ｃ，１０ｃに相当する全周切欠部９ｃ−１、穴９ｃ−２、三角穴９ｃ−３）は、上記の図示例に限定されるものではない。例えば、図１１の断面図に示すように、コアバック９ａ，１０ａの軸方向の一部を切り欠いて切欠部９ｃ−４，１０ｃ−４を形成してもよい。この切欠部９ｃ−４，１０ｃ−４を形成した場合にも、第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０の外周面における漏れ磁束の低減効果があり、トルクの低下を抑制しつつ重量を軽減できる。
また、切欠部９ｃと切欠部９ｃ−４を両方形成するなど、切欠部９ｃ、全周切欠部９ｃ−１、穴９ｃ−２、三角穴９ｃ−３および切欠部９ｃ−４を適宜組み合わせてもよい。

以上より、実施の形態１によれば、電動機１は、フレーム１３と、回転軸２に固着され、フレーム１３内に回転自在に配設された回転子３と、フレーム１３に保持され、回転子３を囲むように同軸心に配設された第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０、当該第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０の間に挟持され回転子３を励磁する界磁起磁力発生用の永久磁石１２、ならびに、当該固定子鉄心８および第１固定子鉄心９に巻装され回転子３に回転トルクを発生させるコイル１１を有する固定子７とを備え、第１固定子鉄心９および第２固定子鉄心１０それぞれは、円盤状のコアバック９ａ，１０ａ、当該コアバック９ａ，１０ａ内周面から径方向内方に突設されたティース９ｂ，１０ｂ、および、当該コアバック９ａ，１０ａに形成された切欠部９ｃ，１０ｃを有する構成にした。この切欠部９ｃ，１０ｃは永久磁石１２の磁束の流れを妨げることがないため、トルクの低下を抑制しつつ重量を軽減した電動機１を実現することができる。また、切欠部９ｃ，１０ｃの代わりに全周切欠部９ｃ−１、穴９ｃ−２、三角穴９ｃ−３、切欠部９ｃ−４を形成しても同様の効果を奏する。
従って、この電動機１は、瞬間的な加速および重量の軽減が要求される車載用の電動コンプレッサおよび電動アシストターボなどに用いるのに適している。

また、実施の形態１によれば、コアバック９ａ，１０ａの内周面から切欠部９ｃ，１０ｃまでの距離（即ち、分岐磁路幅α）を、ティース９ｂ，１０ｂの周方向の幅（即ち、合流磁路幅β）の半分以上にすることで、分岐磁路幅αにおける磁路断面積を十分に確保でき、磁気飽和を緩和することが可能になるため、トルクの低下をさらに抑制できる。
なお、図５〜図７のように全周切欠部９ｃ−１、穴９ｃ−２、三角穴９ｃ−３を形成した場合においても、切欠部９ｃ，１０ｃを形成した場合と同様に分岐磁路幅αと合流磁路幅βとの関係をα＞β〜β／２にすることで、同様の効果を奏する。また、穴９ｃ−２、三角穴９ｃ−３では、ティース９ｂ，１０ｂ外周に穴が設けられているため、分岐磁路幅αを確保しやすくなる。よって、磁気飽和を緩和しトルクの低下を抑制し、重量の軽減が可能となる。

また、実施の形態１によれば、フレーム１３を、非磁性の熱伝導性部材（例えば、アルミニウム材）を用いて形成するようにしたので、永久磁石１２を効果的に冷却することができる。

また、実施の形態１によれば、切欠部９ｃ，１０ｃを、コアバック９ａ，１０ａの外周面に形成するようにしたので、当該外周面からの漏れ磁束を低減でき、トルクの低下をさらに抑制できる。さらに、コアバック９ａ，１０ａの外周面全周を切り欠いて全周切欠部９ｃ−１を形成し、永久磁石１２より固定子鉄心８を小径にすることにより、トルクの低下をより一層抑制できる。

また、実施の形態１によれば、切欠部９ｃ，１０ｃの代わりに、コアバック９ａ，１０ａに穴９ｃ−２または三角穴９ｃ−３を形成した場合には、固定子７とフレーム１３の組み付け性が良いという利点がある。

また、実施の形態１によれば、切欠部９ｃ，１０ｃ、穴９ｃ−２、三角穴９ｃ−３を、コアバック９ａ，１０ａのうち、少なくともティース９ｂ，１０ｂの外周側領域Ｂに形成するようにした。このため、切欠部９ｃ，１０ｃ、穴９ｃ−２、三角穴９ｃ−３の内周側にティース９ｂ，１０ｂが存在する分、磁束の流れを妨げず、トルク低下を抑制できる。
さらに、切欠部９ｃ，１０ｃ、穴９ｃ−２、三角穴９ｃ−３の各一部を、外周側領域Ｂから外周側領域Ｃまで広げて、重量を軽減することも可能である。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 電動機、３ 回転軸、４ 第１磁性体、４ａ，５ａ 基部、４ｂ，５ｂ 突極５ 第２磁性体、６ 隔壁、７ 固定子、８ 固定子鉄心、９ 第１固定子鉄心、９ａ，１０ａ コアバック、９ｂ，１０ｂ ティース、９ｃ，９ｃ−４，１０ｃ，１０ｃ−４ 切欠部、９ｃ−１ 全周切欠部、９ｃ−２ 穴、９ｃ−３ 三角穴、１０ 第２固定子鉄心、１１ コイル、１２ 永久磁石、１３ フレーム、１４ 冷却水路。

Claims (7)

1. フレームと、
   回転軸に固着され、前記フレーム内に回転自在に配設された回転子と、
   前記フレームに保持され、前記回転子を囲むように同軸心に配設された２つの固定子鉄心、当該２つの固定子鉄心間に挟持され前記回転子を励磁する界磁起磁力発生用の永久磁石、および、当該２つの固定子鉄心に巻装され前記回転子に回転トルクを発生させるコイルを有する固定子とを備え、
   前記固定子鉄心それぞれは、円盤状のコアバック、当該コアバック内周面から径方向内方に突設されたティース、および、当該コアバックに形成された穴または切欠を有することを特徴とする回転電動機。
2. 前記コアバック内周面から前記穴または前記切欠までの距離が、前記ティースの周方向の幅の半分以上であることを特徴とする請求項１記載の回転電動機。
3. 前記穴または前記切欠は、前記コアバックのうち、少なくとも前記ティースの外周側領域に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の回転電動機。
4. 前記穴または前記切欠の一部は、前記コアバックのうち、前記ティース間の外周側領域に形成されていることを特徴とする請求項３記載の回転電動機。
5. 前記フレームは、非磁性の熱伝導性部材を用いて形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の回転電動機。
6. 前記切欠は、前記コアバックの外周面に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の回転電動機。
7. 前記切欠は、前記コアバックの外周面全周を切り欠いた形状であって、前記固定子鉄心が前記永久磁石より小径であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の回転電動機。

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